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　　2.1.5【网络工程师考试知识点】流水线与并行处理

本知识点在历年考试中频繁出现，因为它与我们实际工作中的流水线作业非常相似。掌握该知识点在于理解流水线的工作原理，并且能够计算出流水线指令执行时间，以及影响流水线执行的因素。

1. 指令的重叠执行

指令的执行过程可以被分解为相互独立的几个阶段，具体的分法要根据各种处理机的情况而确定。在图2-6中把一条指令的执行过程分为3个阶段。当有多条指令要在处理机中执行时，根据重叠程度的不同可以有多种执行方式：顺序执行方式、 一次重叠执行方式、二次重叠执行方式。

图2-6  一条指令的执行过程

l顺序执行方式。指令的执行过程如图2-7a所示。采用顺序执行方式执行n条指令所用的时间为：

图2-7  指令的几种执行方式

l一次重叠执行方式。这是一种最简单的重叠方式，如图2-7b所示，把执行第k条指令与取第k+1条指令同时进行。如果执行一条指令的两个过程的时间均相等，则执行n条指令所用的时间为：

l二次重叠执行方式。为了进一步提高指令的执行速度，可以把取第k+1条指令提前到与分析第k条指令同时进行，同样，分析第k+1条指令与执行第k条指令同时进行，如图2-7c所示。如果执行一条指令的三过程的时间相等，则执行n条指令所用的时间为：

2. 流水线执行时间

假定有某类任务，它可以划分为N个子任务，每个子任务需要的时间均为t.那么采用流水线方式，完成k个此类任务所需时间很容易得出：T=Nt+（k-1）×t.也就是说，除了第一个任务需要一个完整的执行时间Nt,之后每隔t时间，便会执行完一个任务。

但如果每个子任务所要执行的时间不同，则总的运行时间取决于这些子任务中最慢的那段，我们也称它为流水线周期。通常为了提高工作效率，采用继续划分子任务的方式，将其分割成更小的子任务。此类流水线执行时间的计算，一般分几种情况考虑：

简单算法：一般为了方便计算，将各个功能段的实际执行时间（可能互不相等）都以流水线周期时间，即：

T＝（指令条数＋子任务数－1）×流水线周期

如下图所示，显然标准算法与简单算法只是在第一条指令执行所需时间的不同，但标准算法更加精确。读者在考试时，可根据提供的答案来确定试题具体考查的哪种计算方法。

图2-8  常规流水线工作方式

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